交通是氫能應用的先導場景。氫燃料電池車輛以其零排放、高續(xù)航的特點正在成為交通領域低碳轉型、清潔化發(fā)展的解決方案。早在“十五”時期，我國已將氫燃料電池汽車作為新能源汽車“三縱三橫”發(fā)展路徑之一。

2020 年 9月，國家五部委共同發(fā)布《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》，提出對燃料電池汽車示范采取“以獎代補”的鼓勵措施。2021年8月，財政部、工業(yè)和信息化部、科技部、國家發(fā)展改革委、國家能源局正式批復燃料電池汽車示范應用首批示范城市群，分別為京津冀、上海、廣東;次年1月，由鄭州牽頭的河南城市群和由張家口牽頭的河北城市群正式獲批，成為第二批燃料電池汽車示范城市群。五大示范城市群設立了各自的發(fā)展目標，從成效來看，盡管氫在交通領域的大規(guī)模應用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，但城市群仍在政策扶持、技術突破、示范應用方面起到了顯著的帶動作用。

(一)主要電解水制氫技術路線快速迭代

電解水制氫的技術主要包括四種,即堿性水電解(AlkalineWater ElectrolysisAWE)、質子交換膜(Proton ExchangeMembranes,PEM)、固體氧化物電解電池(Solid Oxide Electrolytic Cells,SOEC)和固體聚合物陰離子交換膜(SolidPolymer Anion Exchange Membrane,AEM)。

其中，堿性電解槽技術可靠，成本低，操作方便，但設備占地面積較大。PEM 技術集成簡單，動態(tài)響應好，轉換效率高，體積小，在各性能指標上表現均衡且指標突出，但成本略高。SOEC 效率高，熱機狀態(tài)動載性能好，可快速雙向工作，但需要高溫熱源，且設備投資大、壽命短，適用于核電制氫及大規(guī)模熱電聯供等。AEM 技術仍處于研究階段。電解水制氫工藝路線各有利弊，目前，堿性電解槽發(fā)展最成熟，已完全商業(yè)化，質子交換膜電解水制氫在國內處于商業(yè)化初期，固體氧化物電解水制氫則仍處于研發(fā)和示范階段。從發(fā)展?jié)摿笆袌稣急葋砜?，堿性電解槽和 PEM 電解槽或將成為未來最主要的電解水制氫技術。

圖2 電解水制氫三大技術路線原理

表 7 電解水制氫的三大基數路線特征對比

1.堿性電解槽應用廣泛

堿性電解槽具備技術相對成熟、結構簡單、安全穩(wěn)定、成本相對低廉等優(yōu)是現階段主流制氫技術路線，已成功實現規(guī)?；圃旒皯谩⒄紦饕袌鰟荩蓊~。目前，堿性電解槽產氫量可達 2000Nm³/h 以上，最大可達 3000Nm³/h。據高工產業(yè)研究院(GGII)預計，2023 年中國堿性電解水制氫裝備出貨量有望達到 1.5GW,到 2030 年將會快速增長至 62GW,2022-2023 年均復合增長率為 75%。另據 GGI 調研，國內 AEM 制氫代表企業(yè)產品有望在 2024 年達到單槽 100kW,并于 2025 年推出 MW 級產品;同時部分企業(yè)開始建設 AEM 產線，加快產業(yè)化落地。

良好的市場預期下，堿性制氫設備市場競爭較為激烈。目前國內堿性制氫設備主要企業(yè)超 50 家(部分同時布局 PEM 制氫)，在堿性制氫領域耕耘時間久及由光伏等領域跨界而來的幾家頭部企業(yè)占據明顯優(yōu)勢。一批后來入局企業(yè)的長期發(fā)展還需看自身產品成熟度、批量供應交付能力以及企業(yè)資源優(yōu)勢。

堿性電解槽由多個電解小室構成，電極、隔膜和密封墊片是關鍵材料。堿性電解槽通常呈圓柱形，可采用串聯單極性或并聯雙極性壓濾式結構，由螺栓和兩塊端壓板將極板夾在一起，形成多個分隔的小室，每個小室由電極、隔膜、墊片、雙極板組成。電極、隔膜和密封墊片是堿性電解槽的關鍵材料。電極通常采用鎳網或泡沫鎳，其性能對電流密度和電解效率有決定性影響，其成本約占系統成本的 28%;隔膜用于將兩極隔離開，要求保障氣密性的同時，降低電阻以減少電能損耗;密封墊片用于解決極片之間的絕緣問題，其絕緣性能對電解效率、安全、系統使用壽命均有影響。

2.PEM 電解槽裝機量快速增長

PEM 電解槽同樣由多個電解單元堆疊而成，每個單元均由質子交換膜、催化劑、氣體擴散層和雙極板構成。PEM 電解槽使用質子交換膜作為固體電解質，替代了堿性電解槽使用的隔膜和液態(tài)電解質(KOH 溶液)，內阻更小、內部結構更為緊湊，電解效率大幅提高，規(guī)模選擇也更為靈活，PEM 電解采用純水而非堿液作為電解原料，產氫純度較堿性制氫更好。

然而，PEM 電解在強酸性環(huán)境下進行，需使用貴金屬催化劑，導致成本較高，掣肘了其規(guī)?；茝V。通過催化劑實現 PEM 電解槽降本增效是重要一環(huán)，催化劑未來降本空間保守估計在 30%-50%，在保障穩(wěn)定性的前提下，通過摻雜非貴金屬或者降低貴金屬載量等方式降低成本尤為關鍵:雙極板和氣體擴散層約占據 PEM電解槽總成本的 60%，這兩部分的國產化替代也是降本增效的重要途徑。

國內 PEM 電解槽產業(yè)的發(fā)展，需要國產核心零部件的進一步突破。從技術層面來看，國產 PEM 電解槽已取得了長足進步，但在技術成熟度、裝置規(guī)模、關鍵材料性能和可靠性驗證等方面和國外先進水平相比還存在一定差距，整體仍有較大進步空間。國內布局 PEM 制氫主要企業(yè)超過 30 家(部分同時布局堿性制氫)，率先突圍的關鍵在于技術實力。國內企業(yè)已推出產品以小功率為主，集中在 0.510kW、電流密度 0.1-2.5A/cm³，能耗 3.7-5kWh/Nm。截至 2023 年6月，多家公司都推出了單槽產氫量達 200Nm³/h 以上的產品，正在向 300Nm³/h 躍進。未來隨著 PEM 制氫核心部件的技術提升及國產化率提高、PEM 制氫設備規(guī)?；瘧玫臄U大，價格將大幅降低，市場占比將逐漸提升。

目前，國內兆瓦級 PEM 制氫技術已在加氫站現場制氫、風電等可再生能源電解水制氫等領域探索初步的示范應用。從 2021 年到 2023 上半年已公開披露的綠氫項目來看，從 1MW、2.5MW、7.5MW 到 50MW，PEM 電解槽裝機規(guī)模在逐步擴大。結合其他在建及規(guī)劃的綠氫項目來看，國內 PEM 制氫裝機量增長趨勢將進一步加快。GGII 預計，到 2030 年中國 PEM 電解水制氫裝備出貨量有望增長至19GW，2022-2030 年均復合增長率為 124%。